测试了低碳钢不同退火温度下烘烤态的应力-应变曲线和烘烤硬化(BH)值以及变形态和烘烤态的内耗曲线, 研究了不同退火温度下的烘烤硬化机制. 结果表明, 退火温度由750 ℃逐渐提高到880 ℃, 应力-应变曲线均表现不连续屈服现象, 且屈服平台的锯齿状越来越明显, 屈服点延伸量不断增大. 退火温度由750 ℃提高到780 ℃, BH值降低, 变形态和烘烤态的Snoek峰高差值增大, SKK峰高降低, Kê峰变化不大, 固溶强化对烘烤硬化起主导作用. 退火温度由780 ℃逐渐提高到880 ℃, BH值不断增大, 变形态和烘烤态的Snoek峰高差值逐渐减小, SKK峰的驰豫强度逐渐增大, Kê峰变化不大, Cottrell气团强化对烘烤硬化的作用逐渐增强. 烘烤硬化机制是固溶强化、Cottrell气团强化和沉淀强化的共同作用.

基于时效处理实验、微观硬度测量和Fick第二定律, 对Cr5Mo/A302异质焊接接头的C扩散行为进行研究, 随后对已存在200 μm脱碳层的异质焊接接头和没有脱碳层的焊态接头进行持久实验, 研究了脱碳层在不同应力水平下对接头寿命的影响. 结果表明, 随时效时间的延长, 增、脱碳现象加剧, 增、脱碳层的宽度变化均遵循抛物线型规律, 实验测量结果与Fick第二定律拟合结果基本一致. 预先形成的脱碳层在高应力条件下, 可以成倍降低接头持久高温寿命, 导致接头发生提前断裂, 但是随着应力水平不断降低, 断裂时间不断提高, 预先形成的C扩散对接头持久寿命的影响程度不断下降, 当应力降低到接头抗拉强度的36%以下后, 其影响可以忽略. 建立了C扩散影响因子S与应力的关系, 并确定了已存在脱碳层对高温持久寿命不产生影响的临界应力值.

基于固有耗散理论和计算模型, 对FV520B钢的高周疲劳性能进行了较为系统的实验研究. 结果表明, 随着施加的交变应力幅的增大, FV520B钢的固有耗散也不断增大. 其变化规律的拐点对应于固有耗散产生机制的转变, 从单纯地由材料微结构的可逆运动(位错线在强钉扎点之间的摆动)引起, 到由材料微结构的可逆运动和不可逆运动(永久滑移的产生、强钉扎点的脱钉以及位错的增殖)共同引起. 并且, 固有耗散拐点的应力幅值就是导致材料疲劳损伤累积的临界应力幅值, 即疲劳极限. 另外, 实验还表明, FV520B钢在等幅交变应力下具有相对稳定的损伤演化速率, 且损伤演化速率由应力幅值决定, 与加载次序无关; 每一周加载造成的疲劳损伤也不受加载频率的影响. 当FV520B钢在疲劳过程中累积的与微结构不可逆演化相关的固有耗散部分达到一个临界值时, 材料即发生疲劳断裂, 且这个临界值是一个与加载历史无关的材料常数.

通过临界退火、临界回火以及回火的多步热处理方式, 研究了低碳低合金钢的组织演变与力学性能. 结果表明, 临界退火后的组织为板条状的临界铁素体及贝氏体/马氏体的双相组织. 经临界回火后, 为临界铁素体、回火贝氏体/马氏体以及残余奥氏体的多相组织. 残余奥氏体呈粒状和条状, 分布在铁素体/贝氏体(马氏体)相界面及贝氏体/马氏体板条之间, 含量高达29%, 并在回火后保持稳定, 主要通过C, Mn, Ni和Cu在逆转奥氏体中的富集来稳定. 临界退火及回火过程中, NbC在铁素体及贝氏体/马氏体中析出, 呈球状、椭圆形或不规则形状, 平均尺寸为10 nm; 富Cu的析出相在临界回火及回火过程中形成, 呈球状分布于铁素体及残余奥氏体中, 尺寸在10~30 nm 之间. 通过残余奥氏体的应变诱导塑性(TRIP)效应及纳米析出相的析出强化作用, 实验钢具有优异的力学性能: 屈服强度高于700 MPa, 抗拉强度高于900 MPa, 均匀延伸率高于20%, 总延伸率高于30%.

采用热膨胀实验研究了等温温度对Nb-Ti微合金钢组织、性能及析出行为的影响规律, 利用TEM对不同温度等温后试样的析出行为进行观察和分析. 结果表明, 不同温度等温后试样中均可观察到相间析出碳化物, 且降低等温温度可显著细化相间析出碳化物所在面面间距、相间析出碳化物所在面内析出物间距及相间析出碳化物尺寸. 具有层状分布特征的相间析出碳化物所在面呈现弯曲和平直2种形态, 其中平直型相间析出碳化物所在面平行于铁素体的{011}, {012}, {013}和{035}面. 经HRTEM确定相间析出碳化物具有NaCl型晶体结构, 晶格常数为0.434 nm, 且与铁素体基体符合Baker-Nutting (B-N)关系, 经EDS分析确定相间析出碳化物为(Nb, Ti)C. 利用Orowan机制对析出强化量进行估算, 结果表明不同等温温度下析出强化量均大于300 MPa.

利用OM, TEM, SEM, 显微硬度仪, AFM, 磁力显微镜(MFM)和扫描Kelvin探针(SKPFM)等微观分析手段, 分析了先进压水堆核电站反应堆压力容器安全端异种金属焊接接头低合金钢A508/镍基焊料52M/奥氏体不锈钢316L的金相组织、显微硬度、主要合金元素、晶界类型以及残余应变的分布, 并对比了整个焊接接头不同厚度上的组织和性能. 结果表明, 焊缝厚度方向上组织和硬度没有显著差别, 底焊位置出现一层未熔焊料形成的细小等轴晶, 在316L母材热影响区(HAZ)内残余应变较焊接件其它位置高, 熔合线附近具有复杂的微观结构、显微硬度、晶界类型、元素成分和残余应变分布. TEM和MFM分析表明, 母材316L基体内有富Cr, Mo元素的颗粒状析出相, SKPFM的结果显示该析出相Volta电势较基体更负, 因而更不耐腐蚀.

对NiCu低合金钢在模拟深层地下水环境, 即除氧0.1 mol/L NaHCO₃+0.1 mol/L NaCl溶液中, 原位监测其在长时间浸泡条件下的开路电位变化曲线及阻抗谱的演化, 研究电极表面的腐蚀演化规律, 并与相同条件下低碳钢的腐蚀行为进行比较. 结果表明, NiCu低合金钢在本实验溶液中的耐蚀性要显著优于低碳钢, 尤其是其耐局部腐蚀的能力更优. 合金元素Ni富集在内锈层中, 可能以NiFe₂O₄的形式存在, 而合金元素Cu的富集不明显, 可能的存在形式为CuFeO₂.

在定向凝固钴基高温合金中采用V型缺口分别垂直和平行于凝固方向的板状热疲劳试样, 并在缺口位置预制再结晶组织, 研究了在最高温度为1000 ℃, 最低温度为室温的冷热循环下, 缺口取向和再结晶对定向凝固钴基高温合金热疲劳性能的影响. 结果表明, 缺口取向垂直于凝固方向时, 基体在应力作用下循环氧化开裂; 缺口平行于凝固方向时, 热疲劳性能下降, 裂纹沿枝晶间扩展. 再结晶降低定向凝固钴基高温合金的热疲劳性能, 再结晶晶界氧化开裂, 晶界析出的M₂₃C₆型碳化物氧化脱落后形成的孔洞加速了裂纹扩展; 连接枝晶间碳化物的再结晶晶界成为缺口平行于凝固方向时热疲劳裂纹的优先扩展通道.

通过蠕变性能测试和组织形貌观察, 研究了高钨K416B镍基合金高温蠕变期间析出相的演化行为. 结果表明, 铸态合金中g '相的尺寸不均匀, 条状MC碳化物在枝晶间区域呈汉字型分布; 在施加应力的高温蠕变期间, 细小M₆C碳化物可在形变基体中不连续析出, 热力学分析认为: 在应力诱导作用下, 元素C偏聚在应力集中处, 与W等碳化物形成元素结合, 促使细小M₆C相自基体中析出; 同时, 条状MC碳化物表面形成沟槽, 并逐渐分解蜕变成粒状M₆C相, 其中, 在条状MC相表面形成的附加应力是促使MC相不断溶解和发生球化的主要原因.

采用Cu模铸造方法制备了直径2和3 mm的Zr_61.5Cu_21.5-xFe₅Al₁₁Sn₁Nb_x (x=0, 1, 2, 原子分数, %)和Zr_61.5Cu_21.5Fe₅Al₁₂非晶合金棒. 结果表明, Sn和Nb微合金化略微降低了Zr-Cu-Fe-Al非晶合金的玻璃形成能力. Zr_61.5Cu_19.5Fe₅Al₁₁Sn₁Nb₂非晶合金具有优异的压缩塑性, 并且表现出“应变硬化”现象. 高分辨透射电镜观察显示Zr_61.5Cu_19.5Fe₅Al₁₁Sn₁Nb₂和Zr_61.5Cu_21.5Fe₅Al₁₂合金均为完全非晶态, Sn和Nb微合金化后合金内部原子排列更紧密. 正电子湮没谱分析结果表明, 与Zr_61.5Cu_21.5Fe₅Al₁₂非晶合金相比, Zr_61.5Cu_19.5Fe₅Al₁₁Sn₁Nb₂非晶合金内部原子密排间隙和结构自由体积尺寸减小、总量增加. 大量弥散分布的自由体积有利于Zr_61.5Cu_19.5Fe₅Al₁₁Sn₁Nb₂非晶合金剪切带的形成、分枝和相互作用, 最终改善了非晶合金的塑性.

研究了顺磁性Al-4.5Cu合金添加Al-5Ti-1B细化剂后, 在强磁场下定向凝固时凝固组织中织构的形成规律和晶界特征分布. 结果表明: 当温度梯度为27 K/cm, 未施加磁场时, 细化后晶粒取向杂乱; 施加磁场后, 随着磁场强度的提高, 晶粒位向发生变化, 晶粒沿a-Al易磁化轴〈310〉发生取向排布. 伴随〈310〉织构的生成, 晶粒中重位点阵(CSL)晶界比例提高. 熔体中具有磁晶各向异性的a-Al晶粒在磁场下受磁转矩作用发生转动, 是织构生成的主要原因. 还讨论了磁场下流体流动对织构生成和晶界的影响.

利用XRD, SEM, TEM等实验方法, 研究了铝热合成法制备的FeNiCrAl合金的微观组织, 并研究了铝热剂成分中Al含量对合金拉伸性能的影响. 结果表明, 当铝热剂中Al含量不超过25.4% (质量分数)时, 合金的主要组成相是奥氏体; 当铝热剂中Al含量达到26.6%时, 合金主要组成相为铁素体, 同时析出颗粒状的NiAl相; 随着Al含量继续增加, 颗粒状析出相逐渐被编织状组织所取代. 编织状组织的产生是液相调幅分解的结果. 铝热剂中Al含量的增加, 会降低合金的断后延伸率. 当铝热剂中Al含量为26.6%时, 合金的抗拉强度达到最大, 为640.87 MPa.

采用透明模型合金丁二腈-2.0% (质量分数)乙醇(SCN-2.0%Eth), 实时观察了在单晶基材(001)晶面上进行激光重熔时, 扫描方向偏离基材[100]晶向不同角度时熔池内枝晶生长的演化过程. 研究发现, 当沿平行[100]晶向的方向进行扫描时, 熔池最后演变为[010]枝晶列和 枝晶列平行对称生长; 当扫描方向与[100]晶向的夹角为20°时, 整个熔池呈现不对称振荡生长模式, 即一侧一直呈 枝晶列生长, 另一侧呈[100]枝晶列和[010]枝晶列相互竞争交替生长; 当扫描方向与[100]晶向的夹角达45°时, 熔池一直呈现为[100]枝晶列和 枝晶列相互垂直生长. 根据枝晶择优生长准则, 建立了一个描述熔池内枝晶生长行为的模型, 很好地解释了实验结果. 结果表明, 熔池内凝固组织受熔池形态和基材晶体取向共同影响.

建立了宽弦叶片定向凝固过程的宏微观数理模型, 计算结果与实验结果吻合, 铸件表面大部分晶粒的位置和形状一一对应. 通过数值模拟预测了不同引晶方式和拉速下温度场和晶粒组织的演变过程, 研究了2种因素的影响规律. 通过建立糊状区形态和晶粒数的数学判据, 实现了温度场和微观组织优劣的定量评价, 基于判据揭示了工艺参数对糊状区和晶粒的影响机理, 从而对工艺进行了定量的优化. 研究表明, 采用叶身正下方的引晶方式, 有利于增加柱状晶数目, 提高晶粒平行度, 防止横向晶界生成, 同时还可以在糊状区形状保持平直的前提下使用较高拉速, 从而避免晶粒粗化, 并提高生产率.